（机械制造及其自动化专业论文）实时圆度检测系统技术的研究及开发.pdf

摘要 嵌入式芯片技术的飞速发展使检测仪器发生了革命性的变化，仪器仪表正 朝智能化、集成化、多功能化方向发展。回转体零件是生产中应用广泛的一类零 件，研究与开发基于回转体零件的测量设备意义重大，在此背景下，本课题结合 工程实际，以y d 2 0 0 a 型圆度仪的改造为基础，展开圆度检测技术的研究。 在基于对圆度仪全面认识的基础上，本论文首先对传统的y d 2 0 0 a 型圆度仪 存在问题及改造可行性进行了系统分析，并给出了基于嵌入式p c i 0 4 的实时圆度 检测系统的软硬件构建方案。然后分析了圆度仪硬件部分方案选择和设计思想， 详细阐述了高精度电感传感器的工作原理、高速数据采集和控制卡的开发。其次， 对系统的软件部分，着重介绍了i 0 操作和人机交互操作的设计，并结合现有硬 件基础，详细研究如何运用误差分离技术提高系统的检测精度。最后分析了圆度 误差评定的四种方法和基本原则，为了提高了圆度评定的速度，本文结合圆度误 差算法特点，提出了一种有助于计算机进行快速数据处理的变步长迭代算法。 用本论文设计的圆度仪对工件的圆度误差进行了实际测量，结果表明：与 传统的仪器及其测量方法、数据处理方式相比，本系统不仅可靠性高、实时性强， 测量精度大幅提高，而且实现了检测过程的自动化、数字化、智能化和可视化。 关键词：圆度，嵌入式，实时性，误差分离，变步长迭代算法 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dc h i pt e c h n o l o g yh a sb r o u g h ta b o u tan e w r e v o l u t i o n a r yc h a n g ei nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h ed e s i g no fm e a s u r i n gi n s t r u n a e n t i s t e n d i n gt ob em u l t if u n c t i o n s ，i n t e g r a t i o na n dm o r ei n t e l l i g e n t i z e r e v o l u t i o n a c c e s s o r yi so n ek i n do fb r o a d l yu s e di nm o d e ms o c i e t y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o rt h i sk i n do fp r o d u c t si sam a t t e ro fg r e a ts i g n i f i c a n c e u n d e r t h eb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c ht a s ki sc o m b i n e dw i t ha ni n d u s t r yp r o j e c t ，a n dr e b u i l d st h e c o n t m ls y s t e mf o rar o u n d n e s si n s t r u m e n to fy d 2 0 0 a t h i sp a p e rp r e s e n t sr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no nr e a l - t i m er o u n d n e s s t e s t i n gt e c h n i q u e t h ea u t h o r ，b a s e do nt h eg e n e r a lk n o w l e d g eo fr o u n d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ， m a k e saf e a s i b i l i t ya n a l y s i so ft h er e n o v a t i o no ft h et r a d i t i o n a ly d 2 0 0 ar o u n d n e s s t e s t e r t h e r e f o r eo f f e r sas t r u c t u r ep l a nf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ew h i c hi sb a s e do n t h es y s t e mo fp c i 0 4 t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h es e l e c t i o na s s e m b l i n ga n dw o r k so f v a r i o u sm o d u l e st of o r mt h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ei n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gm e a s u r i n g p r i n c i p l eo ft h eh i g hp r e c i s i o ni n d u c t a n c ep r o b ea n dt h eh i g hs p e e dd a t aa c q u i r ea n d c o n f f o lc a r dw h i c hi sb a s e do np c i 0 4b u sa n dp r e c i s i o na dc o n v e r t i na d d i t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sd e s i g nm e t h o da n da p p l i c a t i o no fv a r i o u sm o d u l e sf o r m i n gt h e s o r w a r es y s t e mi nd e t a i l ，a n du s e se r r o rs e p a r a t i o nt e c h n i q u e st oi m p r o v et h e m e a s u r i n ga c c u r a c yo fr o u n d n e s s a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e st h eb a s i cp r i n c i p l e s o fe v a l u a t i n gr o u n d n e s se r r o rt h r o u g hc o m p u t e r s ，s t u d i e sh o wt ou s ec o m p u t e rt o r e a l i z ef o u rm e t h o d sf o re v a l u a t i n gr o u n d n e s se r r o ra n dc o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i n g m o d e l s a sar e s u l t ，t h ep a p e rp r e s e n t sn e wq u i c ki t e r a t i v ea r i t h m e t i cw i t hv a r i a b l es t e p s i z ea b o u tr o u n d n e s se r r o re v a l u a t i o nt oi m p r o v et h ec a l c u l a t i n gs p e e d t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n td e s i g n e di nt h ep a p e r si su s e df o rp r a c t i c a lt e s to ft h e a x i sr o u n d n e s se r r o r s ，i nc o m p a r i s o nw i t ht h et r a d i t i o n a l ，m e a s u r i n ga n dd a t a p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h en e wi n s t r u m e n tn o to n l yh a sh i g h e r r e a l t i m e c a p a b i l i t y , s t a b i l i z a t i o na n dt e s t i n ga c c u r a c y , b u ta l s o r e a l i z e sa u t o m a t i z a t i o n ，d i g i t i z a t i o na n d v i s u a l i z a t i o no f t e s t i n gp r o c e s s k e y w o r d ：r o u n d n e s s ，e m b e d d e d ，r e a l - t i m ec a p a b i l i t y , e r r o rs e p a r a t i o n ，i t e r a t i v e a r i t h m e t i cw i t hv a r i a b l es t e ps i z e i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 检测是在工业生产、科学研究、国防建设、国民经济各个部门以至日常生活 的各个领域不可缺少的项工作。检测的质量往往会直接影响到国家和企业的经 济效益。 检测就是确定被测对象的量值而进行的测量过程【l 】。在测控系统中，检测的 主要目的是获取被测对象的有用信息，为控制生产过程提供依据，为被测对象的 性能、状态提供技术数据以及为生产、维修和经营管理提供打印、统计报表的数 据。随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，对检测的要求也越来越高。 1 1 仪器仪表技术现状 1 9 9 0 年以来，随着机床加工精度的不断提高，检测技术也得到飞速的发展。 特别是计算机信息处理技术进入检测领域，测量精度、速度的提高也更快了。 世界近二十年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、特种加工技术、 集成技术、网络技术等高新技术获得了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪 器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如：要求速度更快、灵敏度更高、稳定 性更好、样品量更少、遥感遥控距离更远、使用更方便、成本更低廉、无污染等， 同时也为仪器仪表科技产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步 发展的物质、知识和技术基础。可以说，现代仪器仪表产品已成为最具典型性的 高科技产品。归结现代仪器仪表的发展状况如下： 1 电子和计算机技术已经成为现代化仪器仪表的重要组成部分，光、机、 电一体化、数字化、自动化。 2 新型功能材料、新型传感元件和新的测试机理促使仪器仪表发展，激光 技术、超导技术、纳米技术、信号处理、图像处理和存储技术等高新技 术在现代化仪器仪表的开发和应用。 3 现代的仪器仪表已经不再局限于对被检测物进行简单的测量，它对信号 的后续处理、分祈显示及控制都有很高的要求，仪器仪表的功能更加完 善和拓展。 4 仪器用向集成化方向发展，如圆度仪、粗糙度仪、圆柱度仪等许多检测 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 手段集成在同一检测系统中。 5 仪器系统采用现代化产品设计技术，如模块化设计、可靠性设计、并行 工程技术等。 中国加入世界贸易组织( w t o ) 后，经济面临一个空前的发展机遇。但仪 器仪表行业有关专家指出，目前国产仪器仪表产品大多处于中低档水平，仪器仪 表的生产现状不尽如人意。据了解，目前我国高档、大型仪器设备几乎全部依赖 进口；国外公司的中档产品以及许多关键零部件占有了国内6 0 以上的市场份 额；而国产分析仪器产品只占全球市场不到2 的份额 2 1 。目前我国仪器仪表发 展特点如下： 1 目前我国智能化仪器仪表的发展还只是把微处理器及微型计算机与普通 仪器初步结合。 2 我国智能化仪器仪表所占比重在1 0 以下，普及应用率低，而且开发侧 重在硬件，软件开发较少。 3 虽然在技术指标上国产仪器仪表同国外同类产品比较差距不大，但稳定 性和可靠性问题没有得到根本性解决，成为国产仪器仪表的“硬伤”。一 项调查表明，有8 0 以上的用户认为，稳定性和可靠性不高极大地限制 了国产仪器仪表的使用范围和可信程度3 1 。 4 功能单一，缺乏总线功能是最大的缺点。随着d c s 系统在新建工程中的 广泛使用，直接用总线方式与d c s 相接、并交换数据和信息使系统构成 简单化，是一种必然趋势。 5 研制厂家多，产量少，更新换代慢。科技创新进展滞缓，也成为国产仪 器仪表工业发展的“瓶颈”。 据专家分析，我国仪器仪表工业目前正面临着三重压力：一是国际上现代化 仪器仪表正向微型化、集成化、智能化和总线化方向发展。二是国内市场被外商 挤占，特别是即将加入世贸组织，竞争将更趋激烈。三是我国仪器仪表工业还受 制于科技创新及产业进展滞缓等“瓶颈”制约。 中国仪器仪表工业协会相关负责人表示，尽管我国仪器仪表行业总体走势良 好，但目前我办仪器仪表产品档次水平偏低，令人堪忧。另外，随着国际上数字 化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流，差距可能还将进一步加大。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 1 2 发展趋势 目前，仪器仪表技术不但已经完全突破了传统的光、机、电的框架，向着计 算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展，而且由于大量采用高新科 学技术的研究成果、跨学科的综合设计、高精尖的制造技术与严格科学的实际应 用，因而使得它还正朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、 控制对象全方位信息的方向阔步前进 4 】。 智能系统：具有自动诊断、自控、自调、自行判断、决策等高智能功能，具 有多台仪器不同场所的综合分析管理系统( l i m s ：l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ) 。 现场总线( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o l l i n gs y s t e m ) 技术：伴随现场总线的问 世，仪器仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇。目前，现场总线已成为全球 自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种全数字 化、双向、多站的通讯系统。它的产生，既是广大用户的实际需求和制造厂商之 间技术竞争的结果，也是计算机技术、通讯技术和控制技术在工业控制领域相结 合的产物。现场总线的出现，为仪器仪表的更新换代、产品升级以及实现进一步 的高精度、高性能，特别是多参数在线实时测控与自动测控、高稳定、高可靠、 高适应性、多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。 1 3 课题来源及目的 在精密测量中，圆度误差的检测是一项重要而且繁琐的工作。按g b i1 8 3 8 0 与g b l 9 5 8 - - 8 0 规定，对于一个回转体零件，其横截面轮廓是否为一正圆，需 要与一理想圆进行比较才能得出结论。圆度误差的评定过程就是将被测横截面的 实际轮廓与理想圆比较的过程。理想圆的寻找成为评价圆度的关键，但在手工操 作中很难实现，人为影响大，精度较低。 计算机技术的发展，为快速有效的完成国标g b 7 2 3 5 - - 8 7 中规定的圆度仪的 误差评定提供了可能。基于计算机控制的圆度检测仪是用软件完成国标g b 7 2 3 5 8 7 中规定的圆度仪滤波器的滤波、检测控制、误差评定以及数据输出。从而 用软件取代了传统仪器中的部分电器元件及替代人工进行误差评定，使仪器的检 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i $ 0 fs h a n g h a iu n i v e r s y 测精度得到大大提高。通过编制不同的数据处理软件完成多种数据分析任务，如 频谱分析、表面粗糙度分析等做在同一个检测仪器中，可以实现测量的多功能化。 如今，国内有不少的圆度仪已经可以按照需要在屏幕上显示被测轮廓的误差 图形，按照不同的评定方法确定包容圆、包容圆心的坐标以及误差的评定结果， 大大简化了圆度的测量和评定，但采用的都是以p c 机为控制核心，外形尺寸都 比较大，不利于现场工作。目前，国外的圆度检测技术比较成熟，功能齐全，但 是其价格都很昂贵。而国内有少数厂家生产这种设备，但其功能很不完善，远远 不能满足我国许多的中小企业的需要，中小企业又无法承受国外昂贵的设备价 格。因此，迫切需要研发全自动化的圆度检测仪器。 本课题来源于由上海大学c i m s 和机器人中心和上海上量精密量仪有限公司 双方共同合作的技术开发项目：y d 2 0 0 a 圆度测量仪改进设计与实现。 上海上量精密量仪有限公司是我国生产圆度测量仪等测量仪器著名厂家，该 厂根据市场需求而提出对原有的圆度检测仪产品控制系统进行技术革新。原有产 品( y d 2 0 0 a 圆度仪) 是一种转台式的通用性精密仪器，广泛适用于科学研究和 工业检测。但是由于y d 2 0 0 a 圆度仪中采用的圆度评定是由检测人员借助同心圆 透明样板进行人工评定被测工件的圆度及偏心值，这种人工评定使得圆度精度不 高、极易造成极大的人为误差，检测复杂，很难适合高精度、高效率的检测工作。 另外，系统本身精度低，不能满足检测的要求。因此，公司提出的要求为：体积 小、成本低廉，性能可靠、操作方便快捷、精确度高。 于是，本论文围绕上海上量精密量仪有限公司的开发要求和目的，结合检测 设备发展潮流，从硬件设计( 测控部分) 、软件开发和评定算法三方面入手，展 开实时圆度检测系统技术的研究，并以实时性、一体化、集成化为设计思想，按 照国家标准和公司内部标准要求，开发出一套性能良好、使用方便和便携式的高 精度圆度检测系统。 1 4 研究内容 本科题研究内容包括三部分：硬件设计、软件开发及圆度评定算法。硬件设 计主要是以原硬件设计为基础，开展系统结构和控制线路的设计，研究如何提高 系统的精度、稳定性和抗干扰性。软件开发主要实现系统的集成监控环境以及人 机交互操作，并能完成检测结果的显示、保存、修改、分析等一系列功能。圆度 4 上海大学硕士日f 究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 测精度得到大大提高。通过编制不同的数据处理软件完成多种数据分析任务，如 频谱分析、表面粗糙度分析等做在同一个检测仪器中，可以实现测量的多功能化。 如今国内有不少的圆度仪已经可以按照需要在屏幕上显示被测轮廓的误差 图形，按照不同的评定方法确定包容圆、包容圆心的坐标以及误差的评定结果， 大大简化了圆度的测量和评定，但采用的都是以p c 机为控制核心，外形尺寸都 比较大，不利于现场工作。目前，国外的圆度检测技术比较成熟，功能齐全，但 是其价格都很昂贵。而国内有少数厂家生产这种设备，但其功能很不完善，远远 不能满足我国许多的中小企业的需要，中小企业又无法承受国外昂贵的设备价 格。因此，迫切需要研发全自动化的网度检测仪器。 本课题来源于由上海大学c i m s 和机器人中心和上海上量精密量仪有限公司 双方共同合作的技术开发项目：y d 2 0 0 a 圆度测量仪改进设计与实现。 上海上量精密量仪有限公司是我国生产圆度测量仪等测量仪器著名厂家，该 厂根据市场需求而提出对原有的圆度检测仪产品控制系统进行技术革新。原有产 品( y d 2 0 0 a 圆度仪) 是一种转台式的通用性精密仪器广泛适用于科学研究和 工业检测。但是由于y d 2 0 0 a 圆度仪中采用的圆度评定是由检测人员借助同心圆 透明样板进行人工评定被测工件的圆度及偏心值。这种人工评定使得圆度精度不 高、极易造成极大的人为误差，检测复杂，很难适合高精度、高效率的检测工作。 另外，系统本身精度低，不能满足检测的要求。因此，公司提出的要求为：体积 小、成本低廉，性能可靠、操作方便快捷、精确度高。 于是，本论文围绕上海上量精密量仪有限公司的开发要求和目的，结合检测 设备发展潮流，从硬件设计( 测控部分) 、软件开发和评定算法三方面入手，展 开实时圆度检测系统技术的研究，并以实州性、一体化、集成化为设计思想，按 照国家标准和公司内部标准要求，开发出一套性能良好、使用方便和便携式的高 精度圆度检测系统。 1 4 研究内容 本科题研究内容包括三部分：硬件设计、软件开发及圆度评定算法。硬件设 计主要是阻原硬件设计为基础，开展系统结构和控制线路的设计，研究如何提高 系统的精度、稳定性和抗干扰性。软件开发主要实现系统的集成监控环境以及人 机交瓦操作，并能完成检测结果的显示、保存、修改、分析等一系列功能。圆度 机交瓦操作，并能完成检测结果的显示、保存、修改、分析等一系列功能。圆度 4 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 评定算法，主要实现国家规定的四种评定方法( 最小二乘圆法、最小外接圆法、 最大内切圆法和最小区域圆法) 。系统的主要技术要求如下： 检测精度达到0 0 5 | lm ，重复检测精度不超过0 1pm 。( 信号增益为 2 0 0 0 倍、最小区域圆法评定时) 具有系统精度补偿功能。 实现中英文显示。 能进行公制和英制单位切换显示。 频谱分析和异常删除功能。 图形打印。 1 5 研究的意义 计算机信息处理技术的快速发展，其速度快、存储量大以及丰富的逻辑判断 能力，可以实现高级复杂的处理算法，获得快速精确的效果。以往的产品设计系 统无法满足现代化的高速度、高精度的技术检测要求，不能保证产品的质量，从 而制约了相关领域的发展。通过本课题的研究，结合计算机的信息处理技术，提 高检测圆度效率和检测精度，为生产过程的自动化及科学研究等提供可靠的数 据。 中国是工业大国，圆度检测仪器具有巨大市场，然而，我们国内目前的研究 水平离这个需求还有一定的差距。研究具有自主知识产权的圆度检测系统，对于 摆脱对国外的依赖，节省外汇，推进我国仪器数字化改造，提高检测行业的水平 很有必要。并且通过研制具有自己产权的高速、高精度圆度检测系统，提高我国 圆度仪的档次和技术水平，加快高档圆度检测仪器国产化，抵制国外产品对我国 仪器仪表市场的冲击，尤其是对开发圆柱度仪等同类产品都具有促进意义。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第二章总体设计方案 按照结构的不同，可将圆度仪分为两种：主轴旋转式和工作台旋转式。 主轴旋转式：被测零件放置在工作台上固定不动，仪器的主轴带动传感器 和测量头一起旋转，由于测量时被测零件固定不动，可以用来测量较大的零件的 圆度误差。 工作台旋转式：传感器和测量头固定不动。被测零件放置在仪器的回转工 作台上，随工作台一起回转，这种仪器常制成紧凑的台式仪器，易于测量小型工 件的圆度误差。 本文研究的圆度仪，其工作台是旋转式，并在此平台上开展实时圆度检测系 统的研究。 2 1 试验平台 上海上量精密量仪有限公司的y d 2 0 0 a 型圆度仪是一种转台式的通用性精密 仪器，其广泛适用于科学研究和工业测量，如图2 - 1 所示。该仪器能测量圆度， 可在1 0 0 到2 0 0 0 0 的放大倍率之间，任选一档进行检测。该仪器结构精巧，轻便 易搬，维护简单。仪器还装有防震装置，对操作环境要求不高，因此也适宜在车 间使用。 图2 - iy d 2 0 0 a 型圆度仪 该仪器的检测原理为将被测工件放置在一个旋转的工作台上( 如图2 - 2 所 示) ，通过传感器的测量头与被测工件轮廓接触，在转台转动过程中，传感器测 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a il 仆j i v e r s l t y 端的径向变化与被测轮廓相当，此变化量由传感器接收，并转换成电信号输入到 电气系统，然后送入单片机进行数据处理和分析，并驱动记录器表头，用电敏方 式将轮廓的径向变化记录在与转台同步转动的记录器的火花记录纸上( 如图2 3 所示) ，然后由检测人员借助一个同心圆透明样板，人工评定被测工件的圆度误 差及其偏心值。 图2 - 2 旋转的工作台图2 3 记录器 2 2 问题归纳和解决方法 2 2 1 问题归纳 在与上海上量精密量仪有限公司技术人员共同分析该圆度仪的使用情况以 及用户反馈意见后，发现存在的主要问题及产生的原有如下： 采样速度和工作台电机转速不同步，因而造成测量圆不闭合或者重复采 样。当工作台电机在不同使用场所电压的变化而造成电机转速的变化时，由于控 制系统的采样速度固定，采样1 0 2 4 个点时即认为电机旋转一周，这样必然会造 成：电机过快而造成重复采样，造成实际的轮廓曲线首尾发生重叠；电机过慢而 造成采样不足，无法形成封闭的真实轮廓曲线。这在测量电机整流子等带多个缺 口工件时尤为明显，曲线的缺口要么多，要么少，这两种情况都对检测结果造成 很大的影响。 检测结果不一致性很大。这是由评定方法落后造成的。采用人工评定时， 检测人员受分辨能力的限制、感觉器官的生理变化、反映速度和固有的习惯等影 响，虽然观测的是同一检测结果，但读数却有很大的随意性。 7 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g i t a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 无法对检测结果进行处理。对于检测结果，我们可能对其不同的方面进行 研究，分析其特性，例如频谱分析、表面粗糙度分析等，而该系统无法满足此需 要。如果检测结果含有一个或多个不正常段图形( 如检测电机整流子等带缺口工 件) 时，该系统则无法确定缺口部分的大小、无法对异常部分进行处理，即删除 异常部分，然后进行圆度误差等方面的分析。 检测精度低。除了人工评定存在较大的人工误差外，仪器误差( 机械装 配误差、信号处理误差、采样误差等) 、截断误差( 圆度评定时当把数学模型运 用数值计算方法转换成数值问题时引起的误差) 、舍入误差( 计算机对数值问题 求解时由于计算机的有限字长引起) ，另外，由于此检测方法只是对实际轮廓的 粗略表现，无法真实展现工件表面的实际轮廓，必然导致与理想值不符，这就是 方法误差h 。 2 2 2 解决方法 在认真分析原圆度仪的缺点及产生原因后，本论文拟从硬件、软件和评定算 法三方面入手解决。 1 、硬件方面 首先，增加一传感器，定义检测的起点和终点，这样可以解决检测曲线不闭 合或者重复采样的问题。另外，对同一位置的同一工件多次测量时所形成的轮廓 曲线大致相同，以便于对结果进行比较、分析。 其次，借助计算机解决人工评定的不足，增加处理手段。计算机所具有的高 速计算能力和丰富的系统资源，为处理大数据量、编制更加复杂的算法和程序提 供了可能：采用计算机评定的手段，弥补了人工评定的缺点，其具有快速、准确、 稳定等优点；编写多种数据处理软件，满足不同分析的需要。这要求对整个系统 结构进行修改和设计。 再次，重新设计信号处理部分。对传感器信号处理的好坏直接影响了系统的 整体性能。通过取消原设计的多板卡结构，采用更加紧凑的板卡设计，增加对噪 声信号的处理，提高电源的功率和稳定性，来减少信号处理的误差，提高系统的 抗干扰性。 2 、软件方面 上海大学硕士研究生学位论文 1 h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s i t y 解决采样速度和工作台电机转速不同步的问题，还需要从软件方面加以考 虑。采用浮动的采样周期，对实际采样次数进行跟踪。一旦采样次数不在设定的 采样次数范围内，系统则自动调整采样定时时间，然后重新测量。 由圆度检测原理知道：采样点数愈多愈能反映出工件轮廓的真实性，愈能提 高评定结果的准确度，在充分考虑硬件的实现等问题后，系统决定将采样点数由 原来的1 0 2 4 增至4 0 9 6 ，同时增加误差分离技术，减少噪声等信号的干扰，提高 检测的精度。 丰富检测数据的处理手段，例如：频谱分析、删除异常情况( 指定删除和全 部删除) 、粗糙度分析、弧长计算、单位切换等，以满足用户的不同需求。 3 、评定算法 编写圆度评定算法，用计算机代评定替人工进行评定。 2 3 总体设计方案 2 3 1 硬件方案论证 经过上述分析后，系统的硬件方案有三种选择： 1 、基于商用p c 机的系统结构。 2 、基于工业应用的p c 机( 即工控机) 系统结构。 3 、基于嵌入式工业p c 的系统结构。 首先，严格的说，普通的商用p c 台式机是不适合于工业控制应用场合的。办 公环境和工业现场环境不同，办公环境对计算机环境温度，抗干扰能力，抗震性， 防尘性，散热性，系统电源，可靠性等要求比较低，而工业用计算机则不同，它要求 计算机的工作温度范围宽( 一般0 7 0 。c ) ，抗电磁辐射和其它干扰的能力强，防 尘性能好，抗震性能强，散热特性好，可靠性高，实时性强等特点f 6 】。此外，由于p c 机具有广泛的硬件支持商，而且其软件产品类型多样，品种齐全，软硬件开发环境 及有关工具也非常丰富，再加上其良好的用户界面有图形显示功能，因而p c 机对 于工控领域的吸引力是非常巨大的。正是在这样的背景下，产生了工业p c 机。 工业p c 是指在软硬件上与p c 系列微机兼容的工业控制计算机。工业p c 机 不仅克服了个人计算机不适于工业现场恶劣环境使用的致命弱点而且充分发挥 9 上海大学硕士研究生学位论文 1 1 j ep o s t g r a d ) u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 了p c 机软硬件产品丰富的优势，在工业控制领域中占据了应有的位置。最初的 工业p c 机是在普通p c 机上改装而成的，这种改装一般都是在p c 机的外面罩上厚 厚的保护壳和p c 内部加冷却风扇用以减轻震动和降低温度。不过这种简单的加 固没有对p c 机进行技术及工艺上的改造，所以这类p c 机的寿命是不会长的。于 是侵出现了一些被称为“牢固型”的p c 机采用1 9 英寸全钢型密封防尘机箱 的工业p c 机，这种p c 机与普通p c 机相比，主板供电电源更加稳定，并大都采用了 固态存储器，冷却风扇，低功耗的c m o s 器件，用于抗干扰的w a t c h d o g 电路亦及减 震驱动器等 ”。 然而，上述标准结构的p c 机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大， 在许多应用中( 例如航空航天产品，智能仪器仪表，医疗设备，通信设备，机电 一体化产品等) 无法胜任。工业设备、仪器仪表、医疗设备、通信设备等等应用 场合，既需要p c 机的软硬件环境，又需要模块化、标准化、小型化、低功耗的 设计，这就需要建立嵌入式p c 机的标准，以便缩短产品的开发周期，降低开发 成本，减少设备投资，从而降低产品或系统的价格。因而产生了采用基于模块化 设计方法的嵌入式工业p c 系统。 嵌入式以应用为中心，以计算机为基础，其软硬件可配置、可剪裁，对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。随着电子技术普及和发 展，嵌入式系统广泛应用在工业控制等领域，其功能和规模日益扩大。嵌入式 p c 与标准p c 架构相同，采用相同的操作系统和软件开发平台，如w i n d o w sn t ， w i n c e ，l i n u x ，d o s 等，但嵌入式p c 一般安装、嵌入到其他设备或系统中，体积、 功耗、抗震性等方面的特殊要求使其硬件环境与标准p c 有所区别。嵌入式系统 配套的外围输入输出电路、液晶等显示技术、传感器和微型电子机电系统( m e m s ) 技术、各种智能算法等方面的突破，也是促使嵌入式系统的产品迅速占有市场的 一个原因。 p c i 0 4 总线模块系统已成为嵌入式p c 机的标准【8 j 。近年来，p c i 0 4 技术被广 泛地应用到各种领域。这是一种专门为嵌入式控制而定义的、与标准的p c 体系 结构相兼容的工业控制总线。 现场总线技术的发展对仪器仪表的设计提出了更高的要求、更多的功能，而 嵌入式系统的广泛运用为圆度仪的全新设计带来了新的亮点。参照开发目的和设 计要求，以及在阅读和研究大量参考文献( 9 1 8 ) 后，本课题在借鉴原系 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g p , a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s l t y 统检测原理，兼顾以后软硬件功能扩展的要求，决定以嵌入式p c i 0 4 开发平台为 核心。硬件部分包括机械部分、传感器、电机、信号采集和控制卡、p c i 0 4 及外 围设备等组成。 系统的工作原理为：检测工作台上的调频电感传感器与工件表面轮廓相接 触，将其径向位移信号转换成高频调制信号，输入到信号采集和控制卡中，然后 经过倍率选择、放大滤波、调制电路和a d 转换电路完成信号的前端处理和转换。 p c i 0 4 系统对整个检测过程进行监控，当接收到开始检测命令时，p c i 0 4 通过信 号采集和控制卡定时读取检测数据，并对该数据进行处理，最后将结果显示和打 印。 在检测过程中，为保证传感器输出信号的真实性，首先要保证旋转台面的倾 斜度可调，以使其与旋转轴线垂直。另外，被测件的圆心应与转台中心重合，为 此软件系统中需要设计一个对心表。通过观察对心表指针的摆动范围，调整被测 件与工作台的相对位置，以使其中心重合。偏心量( 被测件的圆心与转台中心的 偏移距离) 影响着传感器信号的真实性，影响着最终检测结果的精度。通过对心 表，只能尽量地减小偏心量，而不能完全消除，最终要用软件的方法补偿偏心量 的影响。 2 3 2 软件方案论证 基于操作系统的软件设计方案有两种选择： 1 、基于w i n d o w s 的软件设计。 2 、基于m s d o s 的操作系统的软件设计。 实时性( r e a l t i m e ) 是进行操作系统选择的一个重要考虑因素。实时性主 要体现在对数据采样的操作上。由于信号采集和电机启停等控制任务都是由 p c i 0 4 直接控制完成的，因此，操作系统对不同任务的反应速度，或者说突发任 务响应时间的可确定性影响了本检测系统的可靠性。假设p c i 0 4 硬件定时器的时 钟频率为l _ 1 9 3 1 8 1 m h z ，电机旋转一周为1 0 s ，采样次数为4 0 9 6 ，则采样时间间 隔为2 4 4 1 m s ( 1 0 4 0 9 6 ) ，因此操作系统需要毫秒甚至更高的反应速度。 w i n d o w s 操作系统是世界上最常用的多任务操作系统。w i n d o w s 的优点是显 而易见的，它可以管理和维护系统内存，运行保护模式，执行可抢占的多任务和 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 多线程技术，支持丰富的图形功能，简化用户接口。事实上，有相当多的已开发 完成或正在开发的圆度仪控制系统采用的是w i n d o w s 操作系统。但是，w i n d o w s 操作系统是非实时操作系统，如不加装实时内核软件，是无法实现微秒级的反应 速度，否则，必须在信号采集和控制卡中添加c p u 控制电路，在与p c i 0 4 通讯时 实现数据缓冲，这必然增加设计板卡的成本。而且w i n d o w s 操作系统运行的硬件 要求比较高( 例如大内存和大容量硬盘等) ，也增加了软件的成本。和w i n d o w 操作系统相比，d o s 运行环境，具有内核小、硬件开销少，开发人员可以直接对 p c i 0 4 硬件资源( 例如定时器8 2 5 4 、中断控制器8 2 5 9 a ) 操作，这样大大简化了 信号采集和控制卡的设计，不需增加控制电路就能够获得精准的定时及较高的中 断优先级，确保系统的实时性。对于3 8 6 或4 8 6c p u 时，完全可以获得微秒级的 定时。d o s 本质上是一种单任务操作系统，但由于d o s 下的多任务可以通过中断 技术实现。故本圆度检测仪器选用d o s 作为软件开发平台。 软件系统主要由操作系统和驱动程序、开发工具包和圆度仪系统软件包组 成。其关系如图2 4 所示。操作系统选用m s d o s ，驱动程序主要有触摸屏驱动、 打印机驱动等。开发工具包主要包括u c d o s 、w p s 和t u r b o c 。 圆度仪系统软件包 开发工具包 操作系统和驱动程序 硬件平台 图2 - 4 软件层次图 c 语言是国际上广泛流行的，很有发展的计算机高级语言。c 语言功能丰富， 表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好。既具有 低级语言的许多特点，又具有高级语言的优点，它适用于作为系统描述语言，特 别适合于写系统软件，也可以用来写应用软件。它的主要特点如下【2 0 】： 1 、语言简洁紧凑，使用灵活方便。 2 、运算符丰富。 3 、数据结构丰富。 4 、具有结构化的控制语句。 5 、语法限制不太严格，程序设计自由度大。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s l so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y 6 、c 语言允许直接访问物理网址，赢接对硬件进行操作。 7 、生成目标代码质量高，程序执行效率高。 8 、与汇编语言相比它的可移植性好。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第三章系统硬件研究与设计 3 1 硬件设计方案 圆度仪检测系统的硬件设计方案，是以嵌入式p c i 0 4 平台为核心，以及机械 部分、传感器( 调频电感传感器和光电开关) 、电机、信号采集和控制卡、p c i 0 4 外围设备等组成。如图3 一l 所示。另外，随着网络技术的日新月异，考虑到工业 仪器仪表趋向远程监控和现场总线等的方向发展，本系统还具有扩展能力，可加 接网络接口，实现与异地计算机的通讯。 p c 1 0 4 # 围 机械部分ii _ _ _ _ _ _ _ _ 设备 冈 1 、键盘 网 信 喜罔网 碎 8摅陪p c 1 0 4a n 2 、打印机 w 3 、显示器 号j 择船 2 4 、触摸屏 l 传感器阿r 转7 ；： 换 5 5 、软驱 5 ，a卜 陌鹈燮型b 彳卜 1 一 篝垒 ： 部i 软件平台1 图3 1 系统结构不意 由图3 1 可知，硬件设计的重点在信号采集与控制卡。其主要由信号转换 电路、倍率选择电路、放大滤波电路、解调电路、a d 转换电路、电机控制电路 和p c i 0 4 接口电路等组成。其中，该卡的接口电路设计应该满足p c i 0 4 总线规格。 p c i 0 4 平台就是是通过p c i 0 4 总线( 与i s a 工业标准结构总线基本相同) 与信号 采集与控制卡进行数据交互的：p c i 0 4 首先通过地址总线和地址译码电路选通可 编程并行通信接口芯片8 2 5 5 a ，然后通过数据总线读入或写出数据。高速、高精 度的a d 转换电路主要完成模拟信号到数字信号的转换功能。 由于p c i 0 4 具有l c d 接口，本系统选择了工业使用的液晶显示器，不仅减少 了系统的外形尺寸，美观大方，而且方便了系统的集成，易于实现触摸操作。对 于人机交互方面，本系统采用触摸屏操作。触摸屏的操作方便、简单，只需用手 指点击屏幕即可完成，完全免除了拖动鼠标的烦恼，又不像使用键盘那样繁琐， 不懂计算机的检测人员只需简单的熟悉操作界面就可完成检测工作，使得整个控 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s f t y 不懂计算机的检测人员只需简单的熟悉操作界面就可完成检测工作，使得整个控 制简洁、明了。当然，系统也配备了键盘接口，通过键盘实现系统控制，以及其 他一些命令的输入操作。 3 2p c